毕业设计（论文）-斜流式水轮机转轮内部流动数值模拟计算.doc

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1、“水力机械水力设计”毕业设计任务书1. 设计题目（1）斜流式水轮机转轮内部流动数值模拟计算2. 设计参数 （1）电站形式：坝后式，岸边厂房，单元引水，具有不完全年调节水库 （2）水轮机工作水头 设计水头Hr=204.51mm 平均水头Ha=200m 最大水头Hmax=209.59m 最小水头Hmin=180m 水轮机设计流量Qr=17.1m3/s ( 3) 电站在系统中的作用:系统主力电站，担任调峰、调频的重要任务3. 设计任务及提交的成果 （1）转轮的水力设计 （2）转轮叶片的计算机三维实体造型 （3）转轮内部流动计算域三维实体造型 （4）转轮内部流动数值模拟计算 （5）撰写设计说明书 （6

2、）绘制转轮结构图4.设计重点利用及掌握知识 （1）Auto CAD与SolidWorks （2）水力机械工作原理 （3）水力机械水力设计方法 （4）FLUENT软件5. 设计进度安排 （1）四月初至四月底，完成平面设计部分。 （2）五月初至五月中旬，完成solidworks三维造型部分。 （3）五月中旬至五月底，完成fluent流场分析部分。 （4）六月上旬，完成设计说明书及制图部分。摘 要摘要：本文主要是应用现代设计方法进行转轮的水力设计，即通过Solidworks生成转轮三维模型，并截出计算域，为Fluent分析做准备，最后在Gambit中生成网格文件，再倒入Fluent模拟并分析流场，根

3、据分析结界改善转轮以达到最大效率。关键字：转轮、流场分析、最大效率AbstractThis paper describes a runner of modern design method, that is, first, use the Solidworks software to generate a three-dimensional model,and in preparation for the Fluent analysis cut out the calculation domain, and finally to generate the grid file in Gambit

4、, and then into the Fluent simulation and analysis of flow field, to improve the analysis runner for maximum efficiency.Keywords: runner,flow field analysis , maximum efficiency目 录第一章 绪论11.1 水轮机概述11.1.1 水轮机简述11.1.2水轮机分类及应用11.2 水轮机转轮简介41.2.1 转轮的发展简介41.2.2 转轮的工作原理51.3 工具介绍.5 1.3.1 软件soildworks功能简介.5 1

5、.3.2软件Fluent简介.6第二章 水轮转轮机设计方法简介82.1 现代设计方法简介82.2 研究方案的制定92.2.1主要原始参数92.2.2主要研究内容和路线9第三章 水轮机转轮及叶片的立体部分103.1 Solidworks画涡轮叶片103.1.1统计各点的坐标103.1.2工作转轮叶片轴绘制12 3.1.3转轮叶片绘制12 3.2 确定转轮实体型流动域133.2.1 确定转轮流域的轮廓线13 3.2.2 确定转轮流域实体型143.3 截取流道的计算域153.3.1 绘制整个流道计算域15 3.3.2 绘制计算流道域16第四章Fluent分析174.1 Gambit部分174.1.1

6、 Gambit中画网格174.1.2 定义边界条件184.2 Fluent部分184.2.1 Fluent中边界条件的定义184.3 计算结果体现224.3.1 进口速度为18.03m/s224.3.2进口速度为22.36m/s .264.4水泵的fluent分析.31 4.4.1水泵的fluent中边界条件定义.31 4.4.2进口速度为18.03m/s的水泵分析.31 4.4.3进口速度为22.36m/s的水泵分析.37第五章 总结.435.1 本设计的主要工作.435.2 需要改进之处.43致 谢参考文献II第一章 绪论1.1 水轮机概述1.1.1 水轮机简述水轮机是把水流的能量转换为旋

7、转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。1.1.2 水轮机分类及应用 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改

8、变，但主要是压力能的转换。 （1）冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。（2）反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在

9、斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。 轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流

10、道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。 轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。一般安装高度在3-50m。，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化

11、小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。一般安装高度在3-80m。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。典型例子就是葛洲坝。贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为320米的低水头小型河床电站。 这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的

12、是灯泡式水轮机。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。其中又可以细分为贯流式和半贯流式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式半贯流)装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为570

13、0米，但采用最多的是40300米。混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。斜流式水轮机是瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体水轮机上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗

14、气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40120米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。1.2 水轮机转轮简介 1.2.1 转轮简介水轮机构件中可以旋转的轮子。是水轮机中把水能转换成机械能的核心部件,它决定水轮机的尺寸、性能、结构。混流式水轮机的转轮主要由叶片、上冠、下环和泄水锥组成；轴流式水轮机的转轮主要由叶片、转轮体和泄水锥组成；冲击式水轮的转轮主要由叶片、轮盘组成(在蓄能泵与水泵中称“叶轮”)。多年来，根据不同的应用

15、要求，发明了多种形式的转轮装置，从形式和数目上进行不同的组合，获得了适应各种应用场合的不同性能的水轮机。图1.1 不同水轮机的转轮图 1.2.2 水轮机转轮的工作原理 转轮包括叶片、轮毂、转动机构，其作用是把水能转换成转动的机械能。如图1.2所示。图1.2 水轮机转轮工作原理图水轮机转轮工作时，由流水通过冲击转轮叶片带动转轮旋转，水轮机转轮旋转时，其叶片带动工作液体一起做牵连的圆周运动，并迫使液体沿叶片间通路做相对运动，使工作液体通过转轮叶片的作用，在离开转轮时，使转轮获得一定的动能，由静止的转轮变为转动的转轮。由此完成了水力发电机的水能能变为发电机的动能的过程。1.3 工具介绍 1.3.1

16、软件soildworks功能简介 （1）草图：SolidWorks草图可以插入参考图片，图线可以自由拖动，自动解算，自动标注，自我修复。 （2）配置：SolidWorks独特的配置功能迅速展示不同设计方案，以及零件不同状态，比如：能够迅速获得零件毛坯形态和尺寸，不仅仅为设计，更延伸到对工艺过程的支持。 （3）阵列：除了常见的规则阵列，更含有草图驱动、特征驱动、曲线驱动、数据文件驱动等多种阵列能力，比如：仅仅用一个曲线驱动阵列，就能模拟电缆拖链的动态占位效果。 （4）多实体建模：多实体建模为复杂模型建造带来更多的实用手段，甚至能像装配那样移动、重组实体，完美地实现零件插入零件的复合造型。 （5）

17、特征造型：SolidWorks独特的特型造型功能极大提高了艺术造型的能力与效率，比如：仅仅使用平直线条的简单造型，迅速就能转化为曲面模型。 （6）钣金：强大的钣金功能含有多种造型模式，能完成复杂钣金件的快速建模，比如：放样钣金造型能够展平含有复杂曲面的钣金件，为相关工艺准备提供迅捷支持。 （7）曲面造型：全面而富于特色的曲面工具，丰富的选项，甚至能完成动物、运动鞋那样的复杂模型，仅仅一个填补曲面的功能，令许多费力费时的曲面修补变得如此轻松。 （8）焊件功能：仅仅选择路径即可快速完成型材组构焊件，自动生成下料清单，并统计材料类型与长度等等。 （9）材质纹理：快速获得重量、重心等数据，甚至不用渲染

18、，仅仅使用表面纹理即可获得满意的真实视觉效果。 （10）尺寸关联：通过建模过程中设定的关键数据关联。比如：当改变轴承的型号时，相关的轴径、轴承座等零件自动变化，无须单独修改。 （11）自定义资源：含有多种项目的自定义资源极大地提高设计效率，比如：在轴上开一个圆头建槽，或是在管端生成一个法兰，仅仅通过拖放、选参数、确定等三到五次鼠标点击即可完成。 （12）装配：仅仅是拖放即可自动建立合适的配合关系，智能零部件与扣件还能自动调整参数以适应装配需要，天生就具备动态模拟的能力，甚至能模仿真实碰撞致动的效果。多达四十万件的大型装配也通过了测试。使用图块，在装配中更方便地进行自顶而下的设计工作，使得总体布

19、局草图兼备简洁灵活而详细的能力。 （13）工程图：零件与装配体的工程图都是自动投影生成，自动填写标题栏，可控地自动投影尺寸，还能根据不同的配置，给出零件不同状态的工程图，为工艺准备带来极大便利。并且完全支持图层、线型等二维CAD能力，并能生成二维CAD可读的文件。 （14）数据转换：SolidWorks配有丰富的数据接口，含有自动修复模型能力，它所能够打开以及转出的数据格式也许是最多的，比如：它能直接打开PRO/E文件，并读取特征使之成为可编辑的SolidWorks模型。 1.3.2软件Fluent简介 FLUENT软件具有以下特点： FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且

20、具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； Fluent 前处理网格划分FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有

21、多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型组、k-模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型； 适用于牛顿流体、非牛顿流体；含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；化学组份的混合/反应； 自由表面流模型，

22、欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型； 离散相的拉格朗日跟踪计算；非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）；风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格； 动静翼相互作用模型化后的接续界面；基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；质量、动量、热、化学组份的体积源项；丰富的物性参数的数据库；磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；高效率的并行计算功能，提供多种自动/手

23、动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）； FLUENT软件采用C/C+语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于CFD计算机软件群的概念,针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dy

24、namical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司 ),因此Fluent具有以上软件的许多优点。45第二章 水轮机转轮的水力设计方法简介2.1 现代设计方法简介水轮机转轮的设计主要是指转轮的循环圆设计、叶片设计以及相关机械零部件的设计。由于叶片直接影响到转轮的性能，因而是设计的关键。叶片的设计方法通常有统计经验法、相似设计法和理论设计法三种。由于转轮是一种结构复杂的机械，其设计理论还不完善，鉴于其内部流场的特殊性和复杂性，基于束流理论建立起来的转轮的传统设计方法到今天依然有着

25、一定的工程实用价值。转轮的设计方法，正逐渐由传统设计方法向现代设计方法转变。现代设计方法是以CAD和Solidworks技术为基础，利用CAD和Solidworks技术实现过流部件的造型并完成流道的三维造型，利用FLUENT技术分析其内部三维流场及性能预测。在此指导下，对几何尺寸进行优化，可得到各项性能更佳的转轮。采用现代设计方法缩短了设计周期，减少了设计费用，为该行业的健康发展起到了较大的促进作用。 Solidworks- FLUENT系统设计方法可参照图3.1的过程进行。 图2.1 水力机械的现代设计过程 基于以上优点，所以我们采用Solidworks- FLUENT系统设计方法来完成转轮

26、流道的性能计算。2.2 研究方案的制定 2.2.1主要原始参数叶片出口角应根据转轮进口水流损失最小来设计，进口角研究方案初定为30，且所有叶片进口做成比较适合进流的圆弧进口边。叶片总数目为4片。 2.2.2主要研究内容和路线1. 以Auto CAD和Solidworks软件为工具，研究三维非规则实体的准确造型技术，实现对转轮和过流部件及其三维流动计算域实体的准确几何造型。 2.以FLUENT软件为工具，对流场进行CFD计算分析，FLUENT采用的是有限体积法。3.模拟计算域为单个转轮的一个叶片间流道的流场，主要用来计算分析叶片间流道内的流场分布情况。4.模拟计算域为整个转轮流道的四分之一流场，

27、计算分析水流在其内的流动情况。5.计算研究分析对比水轮机与水泵的流场，分析不同工况下其内部流动的影响。6.计算研究旋转角速度不同的两个转轮之间的流场，分析两个转轮之间的流场分布情况，分析不同水头对其内部流动的影响。7.研究计算转轮的流量和转矩的方法，较精确地计算转轮的流量和转矩。第三章 水轮机转轮及叶片的立体部分3.1 Solidworks画涡轮叶片 3.1.1统计各点的坐标(1)叶片轴坐标数据(2) 部分转轮叶片坐标数据如下:Section1: 距水轮机旋转轴半径,1653.35 左边头部半径,4.5 右边头部半径,5 下面是自左至右的x坐标值,y坐标值,z坐标值 上面 640 ,100 1

28、524.28 -450 ,22 1590.71 -300 ,-4 1625.7 -150 ,-20 1646.2 0.0000 ,-26 1653.35 212 ,-18 1646.23 424 ,21 1598 636 ,85 1526.07 785 ,150 1455.04 下面 -640 ,100 1524.28 -450 ,75 1590.71 -300 ,47 1625.7 -150 ,30 1646.2 0.0000 ,25 1653.35 212 ,38 1646.23 424 ,70 1598 636 ,130 1526.07 785 ,150 1455.04 y坐标0值线至叶

29、片轴心线的距离,0.15Section7: 距水轮机旋转轴半径,1194.07 左边头部半径,6.25 右边头部半径,5 下面是自左至右的x坐标值,y坐标值,z坐标值 上面 -640, -25 1007.82 -486, -76 1090.46 -324, -101 1106 -162, -113 1182.96 0, -110 1194.07 162, -75 1182.96 324, -6 1106 486, 138 1090.46 540, 215 1064.9 下面 -640, -25 1007.82 -486, 44 1090.46 -324, 63 1106 -162, 74 11

30、82.96 0, 95 1194.07 162, 122 1182.96 324, 165 1106 486, 206 1090.46 540, 215 1064.9 y坐标0值线至叶片轴心线的距离,0.153.1.2工作转轮叶片轴绘制 （1）转轮叶片轴形边绘制在Solidworks中建立基准面在其上画草图,设定轴形边半径得 如图所示: 图3.1.2(a) 轴形边 （2）转轮叶片轴的绘制已一基准面为参考面,拉伸轴形边草图得 如图所示: 图3.1.2(b)转轮叶片轴3.1.3 转轮叶片绘制(1) 在Solidworks中作做转轮叶片轮廓线 如图 图3.1.3(a)转轮叶片轮廓线绘制(2)对所画转

31、轮叶片轮廓线草图进行放样得如图所示: 图3.1.3(b)转轮叶片实体至此,水轮机转轮叶片的计算机三维实体造型已经完成.接下来要做出水轮机转轮流动域的实体部分.3.2 确定转轮实体型流动域 3.2.1 确定转轮流域的转轮线在Solidworks中作一个平面草图，如图所示: 图3.2.1 转轮流域轮廓3.2.2 确定转轮流域实体 将转轮流域轮廓草图旋转放样,如图所示: 图3.2.2 转轮流域实体3.3截取流道计算域3.3.1 绘制整个流道计算域 在Solidworks中打开上述说做的实体，在点击插入零件，将转轮叶片插入，然后得如下图： 图3.3.1插入叶片接着点击特征-圆周整列,设置参数得图如下所

32、示:图3.3.2整列叶片然后点击插入特征组合命令，选中删减选项，去除叶片流线上述实体，便得到整个流道图，如下图： 图3.3.3整个流道 3.3.2绘制计算流道域在上一小节的基础上，以基轴4上所在面做2个基准面，分别在每个基准面上做合适的图形，然后利用特征中的拉伸切除命令进行切除，得到计算流道域图下: 图3.3.4计算流道本章主要是应用Solidworks绘制实体模型，然后挖取计算域，有了计算域，然后在Gambit中画好网格，为在Fluent中分析性能做准备。，第四章Fluent分析 Fluent是计算流体力学常用的软件，由于Fluent采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT

33、能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。下面是用Fluent的具体步骤。4.1 Gambit部分 4.1.1 Gambit中画网格要在Fluent中分析必须先在Gambit中画分网格，其步骤如下：1） 将Solidworks中画好的单流道图另存为IGES文件。 2） 在Gambit中导入上步存好的IGES文件。 3) 在面中定义好周期面并选好点。 4） 在体中开始画网格，网格长度取为2，共画了73662个网格，画好

34、的网格如下图： 图4.1.1计算的流道域的网格 4.1.2 定义边界条件画好网格后，还要将各面定义成与实际工作条件相符的情况。 定义各面的条件，如下表：表 4.1 定义面面命名为定义为11x-blade11-zwall12f12-waiwall13-17per13-17-outperiodic14x-outpressure-outlet15f15-neiwall16blade16-bwall18-20per18-20-inperiodic19x-invelocity-inlet定义好后将上述图形导出为Mesh文件。-4.2 Fluent部分Fluent中边界条件定义要求： 1）进口：取速度进口

35、，不同工况下的进口速度根据泵轮出口速度给定。因为泵轮转速（Wp=300rad/s），在计算分析中认为不变。而根据计算要求，转轮要分析三种不同工况下的状态，即i=0、i=0.4、i=0.8三种工况。其中i为泵轮的角速度与转轮的加速度之比。下面我们先说i=0的情况。2）出口：取压力出口，出口压力取0Pa3）转轮内环及叶片过流表面均设定为有滑移壁面，外环过流表面设定为无滑移壁面 4）采用旋转坐标系，设定旋转角速度为300rad/s。 5）选择定义流动介质、计算模型等计算中需要的参数，然后进行迭代求解。4.2.1 Fluent中边界条件定义 先要在Fluent中设置好条件，才能计算分析，步骤如下： 启

36、动Fluent软件，读入case&date文件 在GridScaleScale Factors中将单位改为毫米，即XYZ改为0.001，如图： 图4.2.1设置比列 在definemodelsviscous的model设为K-epsilon. 在definematerials中将chemicl foumula设为fuel-oil-liquid,并将density设为1.225，viscosity设为1.7894e-04 . 图4.2.2设置材料 在defineboundary conditions中将x-blade-z、x-wall-n、x-wall-w、x-blade-b设为如下图所示:图4

37、.2.3叶片条件设置 x-out中gauge pressure设为0; x-fluid设为fluid,然后设定其他参数，x-p-1为rotational; x-in按下图设定图4.2.4边界条件定义将xl-fluid设置为下图所示:图4.2.5xl-fluid的设置上面参数设置好后，在solveinitializeinitialize中compute from设为allzones，然后点击initialize就可以，就意味着系统已经初始化。开始计算，便可以查看速度压力等分布图。在solveinitialize Number of Iterations设置成200(注:此数值可以任意设置,但是要

38、保证)4.3计算结果体现。 开始计算, 当前后两次计算误差小于1/10000（如上图中e-04中体现）计算停止，具体分析计算过程在后续参差曲线中体现。 4.3.1进口速度定为18.03m/s图4.3.1设计工况下参差曲线(1)图4.3.2设计工况下参差曲线(2)A查看叶片上及转轮速度分布,如图:图4.3.3(1)相对速度图4.3.3(2)绝对速度 从转轮叶片速度分布图中可看出，流体顺着转轮叶片流动，进口速度方向向里，数值比较小，出口流速方向向外，数值较大，符合一般流道要求。B转轮流到及叶片压力分布图,如下所示:图4.3.4(1)转轮流道压力从图中可看出，压力成阶梯状分布，进口压力较大，出口压力

39、较小，符合实际情况，还可看出进口有一低压区，说明进口有一定涡旋，需进一步改进。图4.3.4(2)叶片正面压力图4.3.4(3)叶片背面压力从图中可看出，压力成阶梯状分布，叶片正面压力较大，背面压力较小，符合实际情况，而叶片进口处存在一定高压区,原因可能是叶片按放角存在偏差,或者是进口速度过小,还有待改进.还可看出叶片背面有一深蓝色低压区，说明也符合实际情况。 4.3.2进口速度为22.36m/s图4.3.5(1)设计工况下参差曲线图4.3.5(2)设计工况下参差曲线A查看叶片上及转轮速度分布,如图:图4.3.6绝对速度图4.3.7相对速度从转轮叶片速度分布图中可看出，流体顺着转轮叶片流动，符合

40、一般流道分布要求。B转轮流到及叶片压力分布图,如下所示:图4.3.8(1)转轮正反面流道压力图4.3.9(2)叶片正面压力图4.3.9(3)叶片背面压力 从以上二种情况可以看出，转轮叶片速度压力分布均基本上符合，但在进口处有一定的负冲角，因此叶片安放角有待改进。 到此，二个工况分析完成。可知叶片基本上能满足工作要求，但进口还有待改进。因为此水轮机为水泵水轮机,所以可以改变设置条件,将水轮机转轮的进口改为出口,将水轮机出口改为进口,再把进口速度方向改变就能将水轮机改变为水泵,所以下面做水泵的Fluent分析与水轮机的内部流动做对比.4.4 水泵的Fluent分析4.4.1水泵的 Fluent中边界条件定义水泵的Fluent中边界条件与水轮机的Fluent中边界条件方法相同同样按上面步骤得出如下分析：4.4.2 进口速度定为18.03m/s的水泵分析